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DE102004047660B4 - Bauteil mit integrierter Kapazitätsstruktur - Google Patents

Bauteil mit integrierter Kapazitätsstruktur Download PDF

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Abstract

Bauteil mit integrierter Kapazitätsstruktur aus mindestens einer ersten (M1) und einer benachbarten zweiten (M2) Umverdrahtungsebene, von denen jede wenigstens eine erste Teilstruktur (T1) und eine von der ersten Teilstruktur verschiedene zweite Teilstruktur (T2) aufweist,
wobei jeweils die zweite Teilstruktur (T2) die erste Teilstruktur (T1) rahmenförmig umgibt und
wobei die erste Teilstruktur (T11) der ersten Umverdrahtungsebene (M1) mit der zweiten Teilstruktur (T22) der zweiten Umverdrahtungsbene (M2) sowie die zweite Teilstruktur (T21) der ersten Umverdrahtungsebene (M1) mit der ersten Teilstruktur (T12) der zweiten Umverdrahtungsebene (M2) elektrisch verbunden sind,
wobei die erste Teilstruktur (T1) eine laterale Breitenausdehnung und eine laterale Längenausdehnung aufweist,
wobei die Breitenausdehnung senkrecht zu der Längenausdehnung verläuft und die erste Teilstruktur (T1) eine gegenüber der Breitenausdehnung größere Längenausdehnung aufweist, welche eine Vorzugsrichtung definiert und
wobei die erste und zweite Teilstruktur der zweiten Umverdrahtungsebene (T12, T22) gegenüber der ersten und zweiten Teilstruktur der ersten Umverdrahtungsebene...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil mit integrierter Kapazitätsstruktur.
  • In der Halbleitertechnik besteht zur Integration von analogen Schaltungselementen der Bedarf nach passiven Bauelementen, insbesondere Kapazitäten, von hoher Fertigungs-Güte und -Reproduzierbarkeit bei gleichzeitig großem Kapazitätswert und geringem Flächenbedarf. Da durch die fortschreitende Hochintegration von Halbleiterbauelementen die lateralen Dimensionen sich in Relation zur vertikalen Dimension stärker verringern, gewinnen die lateralen Anteile von Kapazitätsstrukturen zunehmend an Bedeutung.
  • Die US 5,583,359 A offenbart eine Kapazitätsstruktur mit vertikalen Teilkapazitäten, welche aus mindestens zwei Elektroden aufgebaut ist, die sich in mehreren Metallisierungsebenen der Halbleiterstruktur befinden. Jede Metallisierungsebene besitzt eine erste und eine zweite Teilelektrode, wobei die zweite Teilelektrode die erste Teilelektrode lateral umgibt und wobei die erste Teilelektrode einer Metallisierungsebene mit der zweiten Teilelektrode einer benachbarten Metallisierungsebene leitfähig verbunden ist.
  • Eine weitere Ausbildung einer Kapazitätsstruktur ist aus der DE 102 17 565 A1 bekannt. Innerhalb einer Gitterstruktur mit quasi kubisch raumzentrierter Elementarzelle sind in jeder Metallisierungsebene quadratische Metallflecken als erste Teilstrukturen realisiert, welche von quadratischen Gitterrahmen als zweite Teilstrukturen vollständig umschlossen sind. Es ist dabei eine Stapelfolge realisiert, bei der in jeder zweiten Ebene eine Teilstruktur um je einen halben lateralen Gittervektor in x- bzw. y-Richtung gegenüber der vorherigen Teilstruktur verschoben ist. Jede weitere Teilstruktur überdeckt so wieder ihre vorvorige Teilstruktur vollständig. Bei dieser Kapazitätsstruktur werden die vertikalen Teilkapazitäten nur sehr punktuell ausgenutzt, nämlich im Wesentlichen nur an den Kreuzungspunkten zweier übereinander liegender Gitterrahmen. Die stark unterschiedlichen Strukturdimensionen von Metallflecken bzw. Gitterrahmen sind design-, layout- und fertigungstechnisch nachteilig. Da die Verbindungselemente (Vias) von Kreuzungspunkten der Gitterstruktur ausgehen, kann eine vergleichsweise geringe laterale Dejustage eine fehlerhafte Kontaktierung zur Folge haben. In vorhandenen Standardzell-Bibliotheken sind derartige bekannte Kapazitätsstrukturen nur schwer zu integrieren.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil mit integrierter Kapazitätsstruktur zu schaffen, das einen größeren Kapazitätswert bei kleinerem Volumenbedarf, insbesondere auch bei kleinerem lateralen Flächenbedarf, aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil, welches die Merkmale des Patentanspruchs 1 umfasst, gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil ist die Kapazitätsstruktur auf ein Substrat aufgebracht, beispielsweise ein Halbleitersubstrat. Dieses Substrat kann typischerweise aus mono- oder polykristallinem Silizium bestehen. Es sind aber auch andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumarsenid (GaAs) möglich. Über diesem Substrat wird entweder direkt oder über eine zusätzliche Isolationsschicht eine erste integrierte Umverdrahtungsebene aufgebracht. Diese Umverdrahtungsebene ist dahingehend strukturiert, dass sie in zwei galvanisch vollständig getrennte, elektrisch leitfähige Bereiche, im Folgenden Teilstrukturen genannt, unterteilt ist. Diese beiden Teilstrukturen, welche die beiden Polaritäten der Kapazitätsstruktur bilden, sind so angeordnet, dass eine Teilstruktur eines ersten Typs von der Teilstruktur eines zweiten Typs umschlossen.
  • Über der ersten Umverdrahtungsebene befindet sich eine erste Isolationsschicht. Diese Isolationsschicht trennt die erste Umverdrahtungsebene von einer über der ersten Isolationsschicht aufgebrachten, zweiten integrierten Umverdrahtungsebene.
  • Die zweite Umverdrahtungsebene ist erfindungsgemäß wiederum in eine erste Teilstruktur und eine zweite Teilstruktur aufgeteilt. Es werden die ersten und zweiten Teilstrukturen dieser zweiten Umverdrahtungsebene in im Wesentlichen gleicher Weise ausgeführt wie die ersten und zweiten Teilstrukturen der ersten Umverdrahtungsebene. Die beiden Umverdrahtungsebenen sind weiterhin derart strukturiert, dass sich die Positionen ihrer jeweiligen Teilstrukturen innerhalb eines in deren Ebene liegenden bzw. lateralen xy-Koordinatensystems entlang der durch die kürzere Vorzugsachse bzw. Ausdehnung der Teilstrukturen definierten ersten Koordinatenachse nicht unterscheiden. Eine relative Verschiebung der jeweiligen Teilstrukturen liegt ausschließlich entlang der durch die längere Vorzugsachse definierten zweiten Koordinatenachse vor. Die Abmessungen der Teilstrukturen entlang der Vorzugsachsen müssen nicht stark voneinander abweichen. Der Basisvektor der kürzeren Vorzugsachse steht senkrecht auf dem Basisvektor der längeren Vorzugsachse, so dass mit dem senkrecht zur Substratebene orientierten Basisvektor z ein kartesisches Koordinatensystem vorliegt.
  • Weiterhin ist die erste Teilstruktur der ersten Umverdrahtungsebene mit der zweiten Teilstruktur der zweiten Umverdrahtungsebene durch ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement verbunden, während die zweite Teilstruktur der ersten Umverdrahtungsebene mit der ersten Teilstruktur der zweiten Umverdrahtungsebene auf gleiche Weise verbunden ist. Diese Verbindungselemente können beispielsweise durch aus der Halbleitertechnik bekannte Vias realisiert sein. Die Vias können z.B. aus dem gleichen Material wie die oben genannten Teilstrukturen bestehen. Aber auch alle gebräuchlichen Via-Materialien wie z.B. Wolfram (Wo) bzw. Wolfram-Legierungen kommen für diese Anwendung in Frage.
  • Eine derart aufgebaute Kapazitätsstruktur besitzt einen hohen Kapazitätswert bei gleichzeitig geringem Volumenbedarf, insbesondere auch bei geringem lateralen Flächenbedarf. Dadurch ist eine kostenoptimierte Herstellung möglich.
  • Eine weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bauteils besteht darin, dass die Kapazitätsstrukturen in hoher Fertigungsqualität bei gleichzeitig hoher Ausbeute herstellbar sind. Auch ist eine einfache Aufnahme in bestehende Tools zur Layout- und Design-Erstellung möglich.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zur optimalen Ausnutzung der lateralen Kapazitätsanteile der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Teilstruktur minimal ausgestaltet. Diese minimalen Abstände sind in der Regel durch die Designregeln der aktuellen Technologiegeneration vorgegeben und bewegen sich typischerweise in einer Größenordnung von 2 s, wobei s ein Maß für die Größenordnung der Transistorgatelänge bzw. Linienbreite der Metallisierung darstellt. Je zwei Teilstrukturen der ersten und der zweiten Umverdrahtungsebene stellen eine Basiszelle einer möglichen, umfassenderen Kapazitätsstruktur des Bauteils dar. Zur Anpassung an eine vorhandene Schaltungsanordnung können diese Basiszellen in allen drei Raumrichtungen fortgesetzt werden. Um hierbei den lateralen Flächenbedarf – bei gleichzeitiger Maximierung der Gesamtkapazität – zu minimieren, werden die Basiszellen vorwiegend periodisch angeordnet. Insbesondere eine periodisch regelmäßige Stapelfolge bei alternierender Polarität der sich überlappenden Teilstrukturen erweist sich als besonders vorteilhaft.
  • Eine sich jedoch nicht periodisch wiederholende, alternierende Stapelfolge, sowohl was die geometrische Kongruenz als auch die Polarität der Teilstrukturen angeht, kann bei bestimmten Anwendungen von Vorteil sein. Insbesondere wenn Kapazitätsstrukturen in großen oder komplexen Halbleiterbauelementen integriert werden, kann es erforderlich sein, einzelne Umverdrahtungsebenen oder Teile von Umverdrahtungsebenen zur Optimierung der Eigenschaften von anderen aktiven oder passiven Schaltungselementen zu nutzen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stimmen die Strukturbreiten der beiden Teilstrukturen im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit überein. Hierdurch wird sichergestellt, dass zum einen eine hohe Ausbeute der in der Fertigung erforderlichen Metallisierungs- und CMP-Prozesse (CMP = Chemisch-Mechanisches Polieren) erreicht wird und zum anderen, dass eine homogene Metall-/Nicht-Metall-Verteilung im Bauteil erreicht wird. Letzteres bewirkt, dass eine geringe thermomechanische Belastung im Produktbetrieb zu erwarten ist.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Teilstruktur stabförmig ausgeführt und von der Teilstruktur des zweiten Typs rahmenförmig umschlossen. Unter "stabförmig" ist dabei zu verstehen, dass die erste Teilstruktur in ihrer Längsrichtung wenigstens doppelt so lang ist wie in ihrer Querrichtung. Durch diese rahmenförmige Gestaltung wird es möglich, dass bei vertikaler Stapelung eine in Richtung der längeren Vorzugsachse große Überlappung der jeweils zweiten Teilstrukturen vorliegt. Dadurch wird eine große Nutzung der vertikalen Kapazitätsanteile sichergestellt.
  • Da mit zunehmender Technologieentwicklung die Strukturabstände innerhalb der Umverdrahtungsebenen immer weiter abnehmen, gewinnt der laterale Kapazitätsanteil von integrierten Halbleiter-Kapazitätsstrukturen zunehmend an Bedeutung zu Lasten des vertikalen Anteils. Dieser Effekt wird berücksichtigt, indem der laterale Abstand zweier Teilstrukturen zumindest an einer Stelle den Wert von 0,25 μm nicht übersteigt. In einer weiteren, layout-technisch optimierten Ausführungsform der Erfindung werden in einer Mehrfach-Stapelfolge die erforderlichen Verbindungselemente senkrecht von der untersten zu obersten Umverdrahtungsebene durchgeführt. Dies erlaubt einen kleinen lateralen Flächenbedarf des erfindungsgemäßen Bauteils bei Minimierung der Zahl der z.B. durch Design-, Layout- oder Fertigungsschwankungen hervorgerufenen fehlerhaften Kontaktierungen.
  • Bei der Erfindung unterscheidet sich die Position mindestens zweier Teilstrukturen innerhalb eines in deren Ebene liegenden bzw. lateralen xy-Koordinatensystems entlang der durch die kürzere Vorzugsachse bzw. Ausdehnung der Teilstrukturen definierte erste Koordinate nicht.
  • Schließlich ist es auch in einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorteilhaft, wenn die Teilstrukturen in gleicher Weise über Vias elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Hierbei ist es weiterhin bevorzugt, wenn wenigstens ein Via mindestens zwei Teilstrukturen zweier Umverdrahtungsebenen geradlinig verbindet.
  • Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bauteils anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 Eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 2 Eine Draufsicht von vier Teilstrukturpaaren, welche das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils ergeben.
  • 3 Eine Draufsicht des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bauteils.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
  • In 1 weist ein Halbleiterbauteil eine Kapazitätsanordnung bzw. -struktur K auf, welche in einer nicht dargestellten Isolationsschicht oder einem System von Isolationsschichten eingebettet ist. Als Isolationsschicht kann eine Schicht oder eine Schichtfolge aus Silizumdioxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4) oder einem anderen, geeigneten Isoliermaterial verwendet werden. Die Isolationsschicht und die Kapazitätsstruktur K befinden sich über einem Substrat S aus beispielsweise Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC). In dem Halbleitersubstrat kann eine integrierte Schaltung oder ein Halbleiterbauelement realisiert sein, so dass durch dieses und die Kapazitätsstruktur K das Bauteil gebildet wird. Das Substrat S kann auch durch eine gedruckte Schaltung oder dergleichen gebildet werden.
  • Eine erste Umverdrahtungsebene M1 ist derart strukturiert, dass eine erste Teilstruktur T11 von einer zweiten Teilstruktur T21 umschlossen ist. Der Abstand zwischen den beiden Teilstrukturen sollte vorzugsweise 250 nm nicht überschreiten, um eine optimale Flächenausnutzung zu gewährleisten. Die Teilstruktur T11 ist von der Teilstruktur T21 beabstandet. Die beiden Teilstrukturen T11 und T21, welche sich in vertikaler oder z-Richtung (vgl. die Koordinaten-Vektoren x, y und z) in ähnlicher Form in mindestens einer weiteren Umverdrahtungsebene M2 als Teilstrukturen T12 und T22 wiederholen, bilden die beiden Elektroden der Kapazitätsstruktur K. Geeignete Materialien für die Teilstrukturen sind Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu). Es können aber auch andere Materialien bzw. Legierungen, insbesondere Legierungen basierend auf Al und/oder Cu, verwendet werden.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die beiden Teilstrukturen T11 und T21 insgesamt viermal wiederholt, so dass zusätzlich zu den Teilstrukturen T12 und T22 der zweiten Umverdrahtungsebene M2 noch Teilstrukturen T13 und T23 einer dritten Umverdrahtungsebene M3 und Teilstrukturen T14 und T24 einer vierten Umverdrahtungsebene M4 vorliegen. Die beiden Teilstrukturen T12 und T22 in der zweiten Umverdrahtungsebene M2 sind in y-Richtung um eine Versatz l bezüglich der Teilstrukturen T11 und T21 der ersten Umverdrahtungsebene M1 verschoben. Gleiches gilt für die folgenden Umverdrahtungsebenen. Mittels je eines Verbindungselements V1 und V2 wird eine zur x-y-Ebene senkrechte, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen sowohl der zweiten Teilstruktur T22 der zweiten Umverdrahtungsebene M2 mit der ersten Teilstruktur T11 der ersten Umverdrahtungsebene M1 als auch der ersten Teilstruktur T12 der zweiten Umverdrahtungsebene M2 mit der zweiten Teilstruktur T21 der ersten Umverdrahtungsebene M1 geschaffen. Gleiches gilt für die folgenden Umverdrahtungsebenen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungselemente V1 und V2 als geradlinig zwischen allen Verdrahtungsebenen durchgehende Vias gezeigt. Dies braucht nicht so zu sein. Die Verbindungselemente können zwischen den jeweiligen Umverdrahtungsebenen auch versetzt zueinander angeordnet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist weiterhin gezeigt, wie durch eine Verdopplung der durch die Strukturierung der Umverdrahtungseben M1 und M2 gegebenen Kapazitäts-Elementarzelle mittels der Umverdrahtungsebenen M3 und M4 eine Verdopplung der Nutzkapazität erfolgt. Der laterale Abstand d zwischen den beiden Teilstrukturen T1i und T2i (i = 1, ... 4) ist durch die Designregeln vorgegeben und wird minimal gewählt, um die Nutzkapazität zu maximieren. Die lateralen Strukturbreiten b1, b2 der Teilstrukturen T1i, T2i sind zur Erhöhung der Fertigungsausbeute im Wesentlichen identisch gewählt.
  • In 2 ist das Layout der in 1 gezeigten, vier strukturierten Umverdrahtungsebenen M1 bis M4 dargestellt. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die Teilstrukturen T1i als auch T2i aller vier Umverdrahtungsebenen M1 bis M4 identisch. Der laterale Versatz l ist so gewählt, dass das erste Verbindungselement V1 mittig von der ersten Teilstruktur T11 der ersten Umverdrahtungsebene M1 mittig zur kurzen Seite der zweiten Teilstruktur T22 der zweiten Umverdrahtungsebene M2 verläuft. Entsprechendes gilt für die höheren Umverdrahtungsebenen und für das zweite Verbindungselement V2.
  • In 3 ist die Aufsicht der in jeweils zwei Teilstrukturen T1, T2 aufgeteilten Umverdrahtungsebenen M1, M2 dargestellt. Während die Teilstrukturen T1, T2 sich in x-Richtung vollständig überdecken, besteht in y-Richtung der laterale Versatz l. Je ein Verbindungselement V1 bzw. V2 verbindet zum einen die erste Teilstruktur T11 der ersten Umverdrahtungsebene M1 mit der zweiten Teilstruktur T22 der zweiten Umverdrahtungsebene M2 und zum anderen die zweite Teilstruktur T21 der ersten Umverdrahtungsebene M1 mit der ersten Teilstruktur T12 der zweiten Umverdrahtungsebene M2.
    • K
    Kapazitätsstruktur
    M1
    erste Umverdrahtungsebene
    M2
    zweite Umverdrahtungsebene
    Mn
    n-te Umververdrahtungsebene
    T1i
    erste Teilstruktur in i-ter Ebene
    T2i
    zweite Teilstruktur in i-ter Ebene
    Tn
    n-te Teilstruktur
    b1
    Strukturbreite der ersten Teilstruktur
    b2
    Strukturbreite der zweiten Teilstruktur
    d
    lateraler Abstand der Teilstrukturen
    h
    vertikaler Abstand der Teilstrukturen
    V1
    erstes Verbindungselement
    V2
    zweites Verbindungselement
    S
    Substrat
    x, y
    laterale Koordinaten, parallel zur S-Ebene
    z
    vertikale Koordinate, senkrecht zur S-Ebene
    l
    lateraler Verschiebeweg

Claims (5)

  1. Bauteil mit integrierter Kapazitätsstruktur aus mindestens einer ersten (M1) und einer benachbarten zweiten (M2) Umverdrahtungsebene, von denen jede wenigstens eine erste Teilstruktur (T1) und eine von der ersten Teilstruktur verschiedene zweite Teilstruktur (T2) aufweist, wobei jeweils die zweite Teilstruktur (T2) die erste Teilstruktur (T1) rahmenförmig umgibt und wobei die erste Teilstruktur (T11) der ersten Umverdrahtungsebene (M1) mit der zweiten Teilstruktur (T22) der zweiten Umverdrahtungsbene (M2) sowie die zweite Teilstruktur (T21) der ersten Umverdrahtungsebene (M1) mit der ersten Teilstruktur (T12) der zweiten Umverdrahtungsebene (M2) elektrisch verbunden sind, wobei die erste Teilstruktur (T1) eine laterale Breitenausdehnung und eine laterale Längenausdehnung aufweist, wobei die Breitenausdehnung senkrecht zu der Längenausdehnung verläuft und die erste Teilstruktur (T1) eine gegenüber der Breitenausdehnung größere Längenausdehnung aufweist, welche eine Vorzugsrichtung definiert und wobei die erste und zweite Teilstruktur der zweiten Umverdrahtungsebene (T12, T22) gegenüber der ersten und zweiten Teilstruktur der ersten Umverdrahtungsebene (T11, T21) zur Schaffung eines für die elektrische Verbindung nutzbaren Bereichs nur in der Vorzugsrichtung versetzt sind und die ersten Teilstrukturen der ersten und zweiten Umverdrahtungsebene (T12, T12) oder die zweiten Teilstrukturen der ersten und zweiten Umverdrahtungsebene (T21, T22) sich teilweise überlappen.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strukturbreite (b1) der ersten Teilstruktur (T1) mit einer Strukturbreite (b2) der zweiten Teilstruktur (T2) übereinstimmt.
  3. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilstruktur (T1) stabförmig ausgebildet ist.
  4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der ersten Teilstruktur (T1) von der zweiten Teilstruktur (T2) kleiner 250 nm ist.
  5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitfähige Vias (V) zur Verbindung der Teilstrukturen (T1, T2) senkrecht zu den Umverdrahtungsebenen (M1, M2) ausgeführt sind.
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